Modelowanie szczelinowania pozwala na lepszą ochronę środowiska
Osiągnięte w ostatnich latach postępy dotyczące technologii szczelinowania hydraulicznego umożliwiły wydobywanie ropy naftowej i gazu ziemnego z położonych na dużych głębokościach podziemnych formacji łupkowych, których eksploatacja była uważana dotychczas za nieopłacalne przedsięwzięcie. W przypadku konwencjonalnej techniki szczelinowania do otworu wiertniczego wtłacza się płyn szczelinujący pod dużym ciśnieniem – może to być między innymi zżelowana woda lub kwas. Do płynu dodawane są następnie domieszki takie jak piasek, aby zapobiegać zamykaniu szczelin oraz umożliwić ropie lub gazowi przedostawanie się do odwiertu. Najnowsze technologie, w tym między innymi odwierty kierunkowe, stosowanie dużych ilości płynu szczelinującego i nowe rozwiązania w obszarze smarowania sprawiły, że szczelinowanie stało się jeszcze bardziej atrakcyjnym rozwiązaniem. „Na terenie Europy występuje szereg złóż łupkowych, które nadają się do opłacalnej eksploatacji”, zauważa Timon Rabczuk, koordynator projektu BESTOFRAC z ramienia Bauhaus-Universität Weimar w Niemczech. „Największe złoża zostały zlokalizowane na terenach Polski i Francji”.
Dokładne modelowanie procesów szczelinowania
Wydobywanie zasobów naturalnych z zastosowaniem techniki szczelinowania wzbudza wiele kontrowersji. Przeciwnicy tego rozwiązania twierdzą, że stwarza ona poważne zagrożenia dla środowiska, ponieważ może doprowadzić między innymi do zanieczyszczenia zasobów wód gruntowych, uszczuplenia zasobów wody pitnej oraz zwiększać ryzyko aktywności sejsmicznej. „Sprawę komplikuje fakt, że dokładny skład substancji chemicznych stosowanych w procesie szczelinowania pozostaje nieznany pomimo znaczącej presji społecznej na ich ujawnienie”, dodaje Rabczuk. „Oznacza to, że monitorowanie zanieczyszczeń na powierzchni stanowi duże wyzwanie – badacze nie wiedzą nawet pod kątem jakich substancji powinni badać zebrane próbki”. Celem projektu BESTOFRAC, realizowanego dzięki wsparciu działania „Maria Skłodowska-Curie” było lepsze zrozumienie wpływu procesu szczelinowania dzięki opracowaniu dokładniejszych narzędzi służących do jego modelowania i analizy. Ich zastosowanie może przyczynić się do dalszej optymalizacji tej techniki oraz dokładniejszej oceny zagrożeń dla środowiska wynikających z jej używania. „Opracowanie dokładnych modeli jest uzależnione od zrozumienia procesów fizycznych, na których opiera się szczelinowanie, a także analizy zmiennych występujących w czasie procesu”, mówi Rabczuk. „Te zmienne to między innymi ciśnienie i szybkość pompowania płynu, składy chemiczne stosowanych substancji oraz liczba etapów szczelinowania i odstępy między nimi”.
Uwzględnianie zmiennych w procesie szczelinowania
W celu uwzględnienia tych zmiennych w ramach projektu badacze opracowali nowe modele i metody obliczeniowe. „Partnerzy skupieni wokół projektu opracowali szereg różnych podejść obliczeniowych”, dodaje Rabczuk. „Inni partnerzy skupili się na testach laboratoryjnych na mniejszą skalę, z kolei jedno z przedsiębiorstw przekazało dane z badań terenowych”. Realistyczne symulacje procesu szczelinowania pozwoliły badaczom lepiej zrozumieć szereg ważnych kwestii związanych z ochroną środowiska. Wśród tych zagadnień można wymienić między innymi wpływ procesu szczelinowania na występujące naturalnie szczeliny, zmiany w sieci szczelin w czasie, a także ograniczanie rozprzestrzeniania się szczelin na sąsiednie warstwy skały. Badaczom udało się osiągnąć także kilka przełomów, w tym między innymi możliwość modelowania złożonych szczelin podczas procesu szczelinowania hydraulicznego dzięki uwzględnieniu oddziaływań między deformacjami skał oraz przepływem płynu. Zespół projektowy opracował ponadto platformę współdzielenia danych, z której mogą skorzystać inni badacze. Zespół zaczął również wykorzystywać podejścia oparte na uczeniu maszynowym, aby skutecznie analizować duże zbiory danych i skrócić czas wykonywania najbardziej czasochłonnych symulacji.
Optymalizacja szczelinowania hydraulicznego
W ramach projektu BESTOFRAC badaczom udało się osiągnąć szereg ważnych rezultatów, które mogą przyczynić się do optymalizacji szczelinowania hydraulicznego w celu lepszej ochrony środowiska. Dotychczas wiele modeli opracowanych w ramach projektu trafiło do publikacji, wszyscy zainteresowani mogą skorzystać także z platformy wymiany wiedzy. „Niektóre z naszych modeli i metod mogą zostać włączone do komercyjnych rozwiązań”, zauważa Rabczuk. „To zagadnienie może przełożyć się na współpracę z różnymi podmiotami – już teraz kilku partnerów przemysłowych nawiązało kontakt z naszym zespołem. Wdrożenie naszych modeli do komercyjnych rozwiązań może pomóc przedsiębiorstwom działającym w tym sektorze na rozwiązanie wielu problemów związanych ze stosowaniem technologii szczelinowania hydraulicznego w swoich przedsięwzięciach”. Projekt z powodzeniem przyczynił się także do przeszkolenia badaczy na wczesnym etapie karier w zakresie nauk obliczeniowych, geotechniki górniczej, geomechaniki oraz technik modelowania i symulacji.
Słowa kluczowe
BESTOFRAC, szczelinowanie, gaz, ropa, środowisko, hydrauliczne, łupki, odwiert